蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件研發(fā)

郭小強(qiáng)，楊國梁，唐鐘雪，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 75002l）

蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件研發(fā)

郭小強(qiáng)，楊國梁，唐鐘雪，魯 云

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 75002l）

主要介紹了蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，針對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)合以往生產(chǎn)類似鑄件缺陷進(jìn)行分析，從鑄造工藝設(shè)計(jì)角度設(shè)置分型、冒口、冷鐵、澆注系統(tǒng)等參數(shù)，利用MAGMA模擬軟件模擬鑄件凝固、充型、防粘砂等過程，優(yōu)化鑄造工藝、澆注系統(tǒng)，減少過程成本。

鑄造工藝；凝固模擬；防粘砂；澆注系統(tǒng)

汽輪機(jī)內(nèi)缸是蒸汽輪機(jī)核心聯(lián)動(dòng)部件，工作環(huán)境處于高溫、高壓狀態(tài)，對于其機(jī)械性能有一定的要求。結(jié)合公司生產(chǎn)同類結(jié)構(gòu)鑄件缺陷特點(diǎn)：鑄件通氣道芯子容易偏且易導(dǎo)致鑄件壁厚不一、易集渣，法蘭面R角部位容易出現(xiàn)長裂紋。對此需從鑄造工藝設(shè)計(jì)、造型過程等各方面優(yōu)化工藝及過程參數(shù)，保證鑄件質(zhì)量，提高鑄件的性能指標(biāo)。

l 工藝方案的確定

1.1 鑄件基本參數(shù)、技術(shù)要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1.1.1產(chǎn)品基本參數(shù)及技術(shù)要求

蒸汽輪內(nèi)缸鑄件如圖l所示，鑄件上半凈重ll.4t，毛重l2.3t；下半凈重l2t，毛重l3t.材質(zhì)為Gl7CrMoV5-l0.上半輪廓尺寸為：l782mm×2700mm×ll80mm；下半輪廓尺寸為：l782mm×2700mm×l 235 mm.其氣道壁厚為60 mm，鑄件氣缸本體壁厚l30 mm.上下半分開鑄造，鑄件在精加工完后，用螺栓連接為一體。蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件化學(xué)成分與技術(shù)要求見表l、表2.

圖l 蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件結(jié)構(gòu)示意圖

NDT 要求：l00%UT，接受等級 2級；l00%MT，不允許將內(nèi)冷鐵和芯撐留在鑄件內(nèi)。

熱處理要求：正火溫度920℃～960℃，根據(jù)壁厚設(shè)計(jì)熱處理工藝時(shí)間；依據(jù)壁厚，在油足夠的液體中或循環(huán)氣體中實(shí)施冷卻。回火溫度680℃～740℃，根據(jù)壁厚設(shè)計(jì)熱處理工藝時(shí)間；在靜止的空氣中冷卻，或在爐中降溫到300℃，然后在空氣中冷卻。在車間粗加后，交貨前需要去應(yīng)力熱處理。去應(yīng)力熱處理的溫度不應(yīng)高于實(shí)際的回火溫度。去應(yīng)力的冷卻速率應(yīng)≤30℃/h.

1.1.2鑄件結(jié)構(gòu)分析

蒸汽輪機(jī)內(nèi)缸鑄件由上下兩部分組成。上半部分：鑄件本體為內(nèi)缸鑄件，其難點(diǎn)在于其氣道結(jié)構(gòu)，氣道壁厚只有60 mm，且偏心，其芯子在下芯過程中易錯(cuò)偏導(dǎo)致皮厚不均勻，其氣道部分客戶要求不允許大面積焊接。其次氣道內(nèi)壁容易集渣，缺陷難以處理。上半鑄件結(jié)構(gòu)及氣道剖面圖見圖2所示。

表l 蒸汽輪內(nèi)缸鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 蒸汽輪內(nèi)缸鑄件機(jī)械性能

鑄件下半部分：結(jié)構(gòu)相對于上半部分增加了橫管子氣道，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。此結(jié)構(gòu)不存在氣道芯偏心問題，橫管子兩側(cè)芯頭固定。但其氣道芯外側(cè)需要設(shè)置假芯，才能保證氣道芯順利下芯。

圖2 內(nèi)缸上半結(jié)構(gòu)及氣道結(jié)構(gòu)剖視圖

圖3 下半鑄件三維結(jié)構(gòu)圖

通過鑄件零件圖分析，此件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱節(jié)模擬分析表明鑄件熱節(jié)多，不易實(shí)現(xiàn)順序凝固。鑄件熱節(jié)模擬分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 鑄件熱節(jié)模擬顯示

1.2 工藝方案設(shè)計(jì)

1.2.1造型方案的確定

根據(jù)同類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鑄件大端面朝上的設(shè)計(jì)原則，采用如圖5造型設(shè)計(jì)方案。

1.2.2鑄件的冒口及補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及造型方案的選取，冒口位置按照熱節(jié)模擬位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑄件冒口模數(shù)及熱節(jié)模數(shù)采用模數(shù)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。模數(shù)法為鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)的基本計(jì)算方法，其基本原理為冒口模數(shù)大于被補(bǔ)縮鑄件模數(shù)，冒口凝固比鑄件熱節(jié)凝固時(shí)間長，保證冒口有足夠的補(bǔ)縮鋼水對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖5 造型方案圖及工藝分布圖

模數(shù)計(jì)算方法：

體積法：M=V/S；

面積法：M=S/C；

壁厚法：M=d/2.

式中：V—鑄件體積，cm3；

S—鑄件散熱表面積，cm2；

C—鑄件截面周長，不包含非散熱邊長，cm；

d—鑄件壁厚，cm.

一般冒口模數(shù)是鑄件模數(shù)的1.2倍，即可滿足冒口與鑄件的補(bǔ)縮要求。通過參考相近鑄造工藝及產(chǎn)品尺寸，工藝采用內(nèi)腔橢圓冒口工藝，由墻冒口從中間向兩側(cè)法蘭實(shí)現(xiàn)順序補(bǔ)縮，如圖5所示。

模數(shù)計(jì)算：如圖6所示，在氣道兩側(cè)熱節(jié)處，采用面積截面法計(jì)算鑄件熱節(jié)模數(shù)M3=8.5，采用壁厚法計(jì)算 M4和 Ml，M2，M4=8.8，氣道處熱節(jié) Ml=5.5，M2=7，按照 補(bǔ)縮 梯 度 1.1 的 關(guān)系 比 ，M3：Ml=1.54，M4：M2=1.25，補(bǔ)縮梯度滿足。在氣道熱節(jié)M3、M4處設(shè)置墻冒口（如圖5所示），冒口模數(shù)分別為1.2M3和1.2M4，冒口模數(shù)為l0.5和l0.56，通過冒口數(shù)值查看冒口表選取對應(yīng)冒口型號。氣道模數(shù)l處為M3與M4重合區(qū)，設(shè)置分區(qū)冷鐵。計(jì)算M5=7.9，M6=7.8，由于M5與M6中間為缸壁，無法通過M6對M5形成補(bǔ)縮通道關(guān)系，在M5處設(shè)計(jì)暗冒口，M6處設(shè)計(jì)單獨(dú)明冒口，M5與M6之間設(shè)置分區(qū)冷鐵（如圖5所示）。通過MAGMA模擬對鑄件模數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化冒口設(shè)計(jì)。如圖6所示。

圖6 鑄件模數(shù)計(jì)算及MAGMA模擬

1.2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

l）鋼液平穩(wěn)、迅速且連續(xù)地流入型腔；

2）防止鋼水卷氣，造成鋼水二次氧化夾渣；

3）澆口設(shè)置避免應(yīng)力集中、裂紋易發(fā)區(qū)域；

4）澆口應(yīng)設(shè)置均勻，保證鑄件的溫度場、應(yīng)力場分布，利于鑄件補(bǔ)縮需要。

應(yīng)用GS-l00計(jì)算軟件設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，并進(jìn)行模擬優(yōu)化。

利用35＃鋼包，l個(gè)φl20 mm的滑動(dòng)水口，4個(gè)φl40 mm內(nèi)澆口。澆注速度0.55 m/s，澆鑄時(shí)間86 s，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用均分法設(shè)計(jì)，保證澆鑄平穩(wěn)上升。根據(jù)生產(chǎn)鑄件情況，在氣道兩側(cè)均設(shè)有內(nèi)澆口，由于氣道兩側(cè)為熱節(jié)應(yīng)力區(qū)域，澆口長時(shí)間對此高溫進(jìn)流，導(dǎo)致此部位裂紋嚴(yán)重。利用MAGAM模擬軟件，對澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化改進(jìn)，在氣道兩側(cè)去除澆口，如圖7所示。內(nèi)澆口的設(shè)置避開氣道熱節(jié)部位，避免澆注系統(tǒng)在熱節(jié)部位產(chǎn)生熱裂紋的傾向。由于鋼包在打開水口第一時(shí)間，鋼水氧化嚴(yán)重，在澆注系統(tǒng)部位設(shè)置第一股鋼水集渣區(qū)，將臟鋼水收集，避免流入鑄件本體。鑄件充型溫度場如圖7所示。

圖7 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及充型模擬溫度場

1.2.4熔煉工藝的設(shè)計(jì)

根據(jù)鑄件材質(zhì)Gl7CrMoV5-l0，其化學(xué)成分制定需要充分考慮到其對高溫持久、熱處理及焊接性能的影響。熔煉工藝確定為EAF+LF精煉，EAF脫碳除去鋼水中夾雜物，鋼水溫度達(dá)到l 600℃以上快速脫碳，使用鋁塊脫氧，防止二次氧化。LF采取吹氬防止氧化，澆注前鎮(zhèn)靜l0 min以上。

化學(xué)成分的確定依據(jù)熱處理性能而定，計(jì)算Cep、Niep、Crep 與性能關(guān)系，設(shè)定 C、Si、Mn 等元素的含量，設(shè)計(jì)出最佳成分含量，滿足鑄件性能要求。

1.2.5 熱處理工藝的設(shè)計(jì)

熱處理采取正火+回火工藝。為了得到金相組織為上貝氏體長期性能，采取900℃～950℃后進(jìn)行水淬，淬火保溫時(shí)間根據(jù)壁厚判定。690℃～750℃進(jìn)行回火，回火保溫時(shí)間根據(jù)壁厚判定，空冷或爐冷到300℃以下再進(jìn)行空冷。對鑄件進(jìn)行質(zhì)量熱處理后，將加工面上的試塊切掉，打上標(biāo)識(shí)及澆注方向。鑄造面上的試塊保留。在進(jìn)行其他熱處理前，要把試塊點(diǎn)焊到鑄件上。

2 生產(chǎn)效果

通過鑄造工藝的優(yōu)化，造型過程操作方便，鑄件壁厚控制合理，氣道槽內(nèi)粘砂得到良好控制。鑄件首次焊補(bǔ)率（缺陷焊補(bǔ)體積與鑄件凈重比值）達(dá)到1.3 dm3/t，鑄件化學(xué)成分、機(jī)械性能均達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié) 論

通過采用模數(shù)計(jì)算法計(jì)算冒口與鑄件的模數(shù)關(guān)系，澆注系統(tǒng)采用均分法的設(shè)置方法，采用MAGMA模擬，對鑄造缺陷模擬、澆注系統(tǒng)充型模擬，實(shí)際檢測鑄件通氣道無粘砂，鑄件無縮松等缺陷。通過合理的熔煉成分控制及熱處理工藝，鑄件化學(xué)成分及機(jī)械性能均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖8 熱處理工藝方案

［l］CHEN Cichang,LAI Xide.Latest Progress of Design and Manufacturing for Hydro Turbine in China［J］.J.of Japanese Turbo machinery,2003,3l （4）:l932-l94l.

［2］李平.鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝［J］.鑄造，20ll（4）：404-406.

［3］陳國楨.鑄件缺陷和對策手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，l996.

［4］李弘英，趙成志.鑄造工藝設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:l46-l49.

［5］李永新，張立文，郭小強(qiáng).大型核電蒸汽輪機(jī)鑄件研發(fā)決策［G］//第十屆中國鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)會(huì)刊（論文篇）.北京：中國鑄造協(xié)會(huì)，20l2:689-693.

［6］楊建，程亞軍，李瑩.660MW超超臨界蒸汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的工藝研發(fā)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，20l6（04）：ll-l2.

Steam Tuebine Inner Cylinder Development

GUO Xiao-qiang，YANG Guo-liang，TANG Zhong-xue，LU Yun
（Kocel Steel Foundry CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 75002l，China）

The paper mainly introduced the structural features and technical requirement of steam turbine inner cylinder.By analyzing the defects occured on the previous similar produced castings，the factors，such as mould parting，risers，chills and pouring system were set.The process of casting solidification and filling were simulated using Magma software to optimize the process，decrease defects and reduce the process cost.

foundry technique，solidification simulation，anti-sand burning，gating system

TG242

A

l674-6694（20l7）05-002l-03

20l7-09-29

郭小強(qiáng)（l98l-），男，寧夏西吉人，本科，助理工程師，主要從事大型鑄鋼件鑄造工藝設(shè)計(jì)。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.005